全國(guó)青少年機(jī)器人等級(jí)考試(三級(jí))試題含答案一、單項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分）1.某齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，主動(dòng)輪齒數(shù)為20，從動(dòng)輪齒數(shù)為60，傳動(dòng)比為（）A.1:3B.3:1C.1:2D.2:12.以下哪種電路連接方式中，若其中一個(gè)用電器損壞，其他用電器仍能正常工作？（）A.串聯(lián)電路B.并聯(lián)電路C.混聯(lián)電路D.分壓電路3.光敏電阻的特性是（）A.光照越強(qiáng)，電阻越大B.光照越強(qiáng)，電阻越小C.溫度越高，電阻越大D.溫度越高，電阻越小4.以下哪種機(jī)械結(jié)構(gòu)適合將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)？（）A.直齒輪B.蝸輪蝸桿C.曲柄連桿D.傘齒輪5.用Arduino編寫程序時(shí)，若要讓LED燈每隔1秒閃爍一次，應(yīng)使用的函數(shù)是（）A.delay(100)B.delay(500)C.delay(1000)D.delay(2000)二、多項(xiàng)選擇題（每題4分，共20分，少選得2分，錯(cuò)選不得分）6.以下屬于費(fèi)力杠桿的是（）A.鑷子B.老虎鉗C.釣魚竿D.天平7.關(guān)于滑輪組的描述正確的是（）A.定滑輪能改變力的方向但不省力B.動(dòng)滑輪能省力但不能改變力的方向C.滑輪組的省力倍數(shù)等于承擔(dān)物重的繩子段數(shù)D.滑輪組的機(jī)械效率一定小于100%8.下列傳感器中，屬于輸入型傳感器的是（）A.溫度傳感器B.電機(jī)C.光敏傳感器D.蜂鳴器9.電路中使用滑動(dòng)變阻器的主要作用包括（）A.保護(hù)電路B.改變電路中的電流C.改變用電器兩端電壓D.增大電源電壓10.關(guān)于機(jī)器人避障功能的實(shí)現(xiàn)，可能用到的傳感器有（）A.超聲波傳感器B.紅外傳感器C.壓力傳感器D.溫度傳感器三、填空題（每空2分，共20分）11.齒輪傳動(dòng)中，兩個(gè)相互嚙合的齒輪旋轉(zhuǎn)方向（）（填“相同”或“相反”）。12.串聯(lián)電路中，總電壓等于各用電器兩端電壓（）（填“之和”或“相等”）。13.一個(gè)電阻兩端電壓為6V，通過(guò)的電流為0.3A，則該電阻的阻值為（）Ω。14.曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，曲柄做（）運(yùn)動(dòng)，連桿做（）運(yùn)動(dòng)（填“旋轉(zhuǎn)”或“往復(fù)直線”）。15.溫度傳感器DS18B20的輸出信號(hào)類型是（）（填“模擬信號(hào)”或“數(shù)字信號(hào)”）。16.要使直流電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，可通過(guò)（）（填“增大”或“減小”）電機(jī)兩端電壓實(shí)現(xiàn)。17.光敏二極管在無(wú)光照時(shí)處于（）狀態(tài)（填“導(dǎo)通”或“截止”）。四、簡(jiǎn)答題（共25分）18.（封閉型，8分）簡(jiǎn)述歐姆定律的內(nèi)容及數(shù)學(xué)表達(dá)式，并說(shuō)明其適用條件。19.（封閉型，9分）分析蝸輪蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)（至少列出3個(gè)特點(diǎn)）。20.（開放型，8分）設(shè)計(jì)一個(gè)“光控小夜燈”系統(tǒng)，要求：當(dāng)環(huán)境光線暗到一定程度時(shí)自動(dòng)點(diǎn)亮，光線足夠亮?xí)r自動(dòng)熄滅。需要說(shuō)明使用的主要元件、電路連接方式及工作原理。五、應(yīng)用題（共20分）21.（計(jì)算類，7分）如圖所示電路（注：假設(shè)圖中電源電壓為9V，R1=10Ω，R2=20Ω，滑動(dòng)變阻器R3最大阻值為30Ω，當(dāng)R3滑片移至中點(diǎn)時(shí)）：（1）求電路中的總電阻；（2）求通過(guò)R1的電流；（3）求R2兩端的電壓。22.（分析類，6分）某機(jī)器人采用雙輪驅(qū)動(dòng)，左電機(jī)轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/分鐘，右電機(jī)轉(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/分鐘（兩電機(jī)轉(zhuǎn)向相同）。分析該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并說(shuō)明原因。23.（綜合類，7分）設(shè)計(jì)一個(gè)“自動(dòng)垃圾分類機(jī)器人”，要求能識(shí)別金屬和非金屑物品（金屬用電磁傳感器檢測(cè)），并將金屬物品推送到左側(cè)收納箱，非金屑物品推送到右側(cè)收納箱。需詳細(xì)描述：（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）傳感器選擇及連接方式；（3）控制程序的邏輯流程。答案及解析一、單項(xiàng)選擇題1.答案：A解析：傳動(dòng)比=從動(dòng)輪齒數(shù)/主動(dòng)輪齒數(shù)=60/20=3，即主動(dòng)輪轉(zhuǎn)3圈從動(dòng)輪轉(zhuǎn)1圈，故傳動(dòng)比為1:3。2.答案：B解析：并聯(lián)電路各支路獨(dú)立，一個(gè)用電器損壞不影響其他支路。3.答案：B解析：光敏電阻是半導(dǎo)體材料，光照越強(qiáng)，自由電荷越多，電阻越小。4.答案：C解析：曲柄做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿帶動(dòng)滑塊做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。5.答案：C解析：delay()函數(shù)參數(shù)單位為毫秒，1秒=1000毫秒。二、多項(xiàng)選擇題6.答案：AC解析：費(fèi)力杠桿特點(diǎn)是動(dòng)力臂<阻力臂，鑷子和釣魚竿符合；老虎鉗是省力杠桿，天平是等臂杠桿。7.答案：ABCD解析：定滑輪改變方向不省力，動(dòng)滑輪省力不改變方向；滑輪組省力倍數(shù)等于承重繩段數(shù)；由于存在摩擦和動(dòng)滑輪自重，機(jī)械效率<100%。8.答案：AC解析：輸入型傳感器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入控制器，溫度和光敏傳感器屬于此類；電機(jī)和蜂鳴器是輸出設(shè)備。9.答案：ABC解析：滑動(dòng)變阻器通過(guò)改變接入電阻改變電流和電壓，同時(shí)可保護(hù)電路；不能改變電源電壓。10.答案：AB解析：超聲波和紅外傳感器可檢測(cè)障礙物距離，壓力傳感器檢測(cè)壓力，溫度傳感器檢測(cè)溫度，后兩者不用于避障。三、填空題11.相反12.之和13.20（R=U/I=6/0.3=20Ω）14.旋轉(zhuǎn)；往復(fù)直線15.數(shù)字信號(hào)（DS18B20是單總線數(shù)字溫度傳感器）16.增大17.截止（無(wú)光照時(shí)反向電阻大，處于截止?fàn)顟B(tài)）四、簡(jiǎn)答題18.答案：內(nèi)容：導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體兩端的電壓成正比，與導(dǎo)體的電阻成反比。表達(dá)式：I=U/R（I為電流，單位A；U為電壓，單位V；R為電阻，單位Ω）。適用條件：純電阻電路（如金屬導(dǎo)體、定值電阻），且溫度變化可忽略。19.答案：（1）傳動(dòng)比大：通常單級(jí)傳動(dòng)比可達(dá)30100，結(jié)構(gòu)緊湊；（2）傳動(dòng)平穩(wěn)：蝸桿齒是連續(xù)螺旋齒，嚙合時(shí)沖擊小、噪音低；（3）具有自鎖性：當(dāng)蝸桿導(dǎo)程角小于摩擦角時(shí)，只能蝸桿帶動(dòng)蝸輪，不能反向傳動(dòng)；（4）效率較低：嚙合面滑動(dòng)摩擦大，一般效率為0.70.95，自鎖時(shí)低于0.5。20.答案（示例）：主要元件：光敏電阻（RG）、LED燈、三極管（或繼電器）、電阻、電源（電池）、Arduino控制板。電路連接：光敏電阻與固定電阻串聯(lián)后接電源，分壓點(diǎn)連接Arduino模擬輸入口（A0）；LED燈通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)接數(shù)字輸出口（D2）。工作原理：Arduino讀取A0口電壓值（反映光敏電阻阻值變化），當(dāng)環(huán)境光線變暗時(shí)，RG阻值增大，A0電壓升高，超過(guò)設(shè)定閾值（如2.5V）時(shí)，D2輸出高電平，三極管導(dǎo)通，LED點(diǎn)亮；光線變亮?xí)r，RG阻值減小，A0電壓降低，低于閾值時(shí)D2輸出低電平，LED熄滅。五、應(yīng)用題21.答案：（1）R3滑片在中點(diǎn)時(shí)阻值=30Ω/2=15Ω，R2與R3并聯(lián)：R并=(20×15)/(20+15)=300/35≈8.57Ω總電阻R總=R1+R并=10+8.57=18.57Ω（2）總電流I總=U/R總=9/18.57≈0.485A（串聯(lián)電路電流處處相等，通過(guò)R1的電流即總電流）（3）R2兩端電壓=I總×R并=0.485×8.57≈4.16V（并聯(lián)電路各支路電壓相等）22.答案：運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：機(jī)器人將向右轉(zhuǎn)彎（順時(shí)針轉(zhuǎn)向）。原因：雙輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向由兩輪轉(zhuǎn)速差決定。左電機(jī)轉(zhuǎn)速（200轉(zhuǎn)/分鐘）高于右電機(jī)（150轉(zhuǎn)/分鐘），左側(cè)車輪線速度更快，右側(cè)車輪線速度較慢，導(dǎo)致機(jī)器人向速度較慢的右側(cè)偏轉(zhuǎn)，形成順時(shí)針轉(zhuǎn)彎軌跡。23.答案（詳細(xì)設(shè)計(jì)）：（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)：主體框架：采用鋁合金或亞克力板材搭建，底部安裝雙輪驅(qū)動(dòng)模塊（直流電機(jī)+輪胎）；推送機(jī)構(gòu)：前端安裝可左右擺動(dòng)的推桿（由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)角度0180°），推桿高度與物品高度匹配；收納箱：在機(jī)器人左右兩側(cè)各固定一個(gè)開口向上的收納箱（左側(cè)用于金屬，右側(cè)用于非金屬）。（2）傳感器選擇及連接：電磁傳感器（如電感式接近開關(guān)）：安裝在機(jī)器人前端，檢測(cè)距離510cm，輸出數(shù)字信號(hào)（檢測(cè)到金屬時(shí)輸出高電平），連接Arduino數(shù)字輸入口（D3）；電源模塊：使用7.4V鋰電池供電，通過(guò)穩(wěn)壓模塊（如LM2596）為Arduino（5V）、電機(jī)（6V）、傳感器（5V）供電；電機(jī)驅(qū)動(dòng)：雙輪電機(jī)通過(guò)L298N驅(qū)動(dòng)板連接Arduino（控制引腳D4、D5控制左電機(jī)，D6、D7控制右電機(jī)）；舵機(jī)：推桿舵機(jī)信號(hào)線連接D8，電源線接5V，地線接GND。（3）控制程序邏輯流程（偽代碼）：```voidsetup(){初始化串口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)角度（初始90°中位）；}voidloop(){機(jī)器人以低速前進(jìn)（電機(jī)正轉(zhuǎn)，PWM=100）；if(電磁傳感器檢測(cè)到金屬信號(hào)（D3=HIGH）){停止前進(jìn)（電機(jī)停止）；